专利名称：半导体泵浦的太赫兹激光脉冲发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太赫兹激光脉冲发生器，特别是涉及一种半导体泵浦的太赫兹激光脉冲发生器。
背景技术：
太赫兹(THz)激光脉冲是波长量级在毫米的电磁辐射。THz激光脉冲的出现，使太赫兹(THz)辐射的物理机制、检测技术和应用技术研究得到全面发展。太赫兹(THz)超宽带电磁脉冲的独特性能给通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测、安全检查等领域带来了深远影响。高功率太赫兹(THz)超宽频带光电导开关微波源作为核心部件几乎涉及信息产业的所有应用领域。由于THz电磁波的强透射能力和低辐射能量(对人体完全无害)，太赫兹(THz)成像技术可以用来检验食品新鲜度，替代医疗X射线透视仪、CT，以及用于机场安全检查和炭疽菌等生化武器检查等等。
在生物化学技术领域，由于许多生物大分子的转动吸收谱处于太赫兹(THz)频段，那么利用对生化反应太赫兹(THz)吸收谱的研究可以得到反应中的分子运动状况信息。对于进一步研究生化反应提供了有力的手段。在天文学方面，宇宙中，大量的物质在发出太赫兹(THz)电磁波。炭、水、一氧化碳、氮、氧等等大量的分子可以在THz频段进行探测。而有些物质在应用太赫兹(THz)技术以前一部分根本无法探测而另一部分只能在海拔很高或者月球表面才可以探测到。通信技术中，太赫兹(THz)用于通信可以获得10GB/s的无线传输速度，这比当前的超宽带技术快几百至一千多倍，而且与可见光和红外线相比它同时具有极高的方向性以及较强的云雾穿透能力。这就使得THz通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信。虽然由于缺乏高效的太赫兹(THz)发射天线和源，使其还无法在通信领域商业化，但这必将由新型的发射装置和发射源所解决。
国内外太赫兹(THz)激光脉冲的产生方法主要有在垂直安排的电磁场作用下，半导体材料，主要是锗(Ge)材料，价带中的轻、重空穴在泵浦下实现粒子数反转，产生太赫兹(THz)激光，该系统必须在极低温下工作(T～4K)(Infrared Physics & Technology，Vol.44，pp.75-78，2003)。
上述的太赫兹(THz)激光器有如下缺点(a)体积大，(b)结构复杂，(c)光路调整困难，因而激光器容易失效，(d)寿命短，(e)多纵模工作，激光模式差，(f)需要在极低温下工作等。
发明内容
本发明的目的在于克服已有太赫兹(THz)激光脉冲发生装置体积大、结构复杂、光路调整困难、寿命短、多纵模工作以及低温工作等缺点，从而提供一种通过泵源泵浦耦合腔半导体激光器产生两束的相干单模激光，这两束激光在非线性光学晶体里进行差频，即可获得单模太赫兹激光脉冲。由于耦合腔半导体激光器产生的两束激光的相位在时间和空间上都相干，而且波长相差在一定范围，因此只需将这两束激光进行差频，即可获得太赫兹(THz)激光脉冲输出。该发生器结构简单、体积小、产生的太赫兹(THz)激光脉冲稳定性好、单模输出而且室温工作。
本发明的目的是这样实现的本发明提供一种半导体泵浦的太赫兹激光脉冲发生器，包括泵源、在光路上依次放置的耦合腔半导体激光器和非线性激光晶体，其通过泵源泵浦耦合腔半导体激光器产生两束在时间和空间上都相干而且波长相差在一定范围的激光，这两束激光在非线性光学晶体里进行非线性频率变换，即可获得太赫兹激光脉冲。
所述的半导体泵浦的太赫兹激光脉冲发生器，其所述的泵源置于耦合腔半导体激光器的上方，泵源两端分别与耦合腔半导体激光器的正极和负极电连接，在耦合腔半导体激光器的激光出口处设有非线性光学晶体，非线性光学晶体位于激光的光路上。
所述的半导体泵浦的太赫兹激光脉冲发生器，其所述的泵源是恒流源，或是激光器。
所述的半导体泵浦的太赫兹激光脉冲发生器，其所述的耦合腔半导体激光器发出的两束单模激光，在时间上同时发生，在空间上处于相同区域。
所述的半导体泵浦的太赫兹激光脉冲发生器，其所述的耦合腔半导体激光器发出的两束单模激光具有时间和空间相干性，满足实现共线相位匹配的要求。
所述的半导体泵浦的太赫兹激光脉冲发生器，其所述的耦合腔半导体激光器发出的两束单模激光，波长范围在0.65微米～1.55微米范围内。
所述的半导体泵浦的太赫兹激光脉冲发生器，其所述在非线性光学晶体里的非线性频率变换方式是差频。
所述的半导体泵浦的太赫兹激光脉冲发生器，其特征是所述的耦合腔半导体激光器产生两束单模激光波长相差的范围是8纳米～50纳米。
所述的半导体泵浦的太赫兹激光脉冲发生器，其所述的非线性光学晶体包括周期性极化钛氧磷酸钾、周期性极化钽酸锂、周期性极化铌酸锂。
所述的半导体泵浦的太赫兹激光脉冲发生器，其在室温下工作。
本发明提供的一种半导体泵浦的THz激光脉冲发生器，克服了已有太赫兹激光脉冲发生装置结构复杂、多模输出、低温工作等缺点，而且体积小、性能稳定，可广泛应用于物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、宽带移动通讯、卫星通讯和军用雷达等领域。
本发明的优越性与现有技术相比，本发明有如下优点1、结构简单。本发明仅包括半导体耦合腔激光源和非线性激光晶体两个主要部件，而且由于耦合腔激光器的面发射、空间发散角小、光斑尺寸小等特性，可以将非线性激光晶体与半导体耦合腔激光源非常紧凑地排列。
2、体积小。典型TO5封装的半导体耦合腔激光源尺寸小于5×5×5mm3，非线性光学晶体的尺寸在5×5×1mm3，外加上半导体耦合腔激光源的泵浦源，本发明的半导体泵浦的太赫兹激光脉冲发生器的体积远远小于现有任何一款太赫兹激光脉冲发生器的体积。
3、性能稳定。本发明的半导体泵浦的太赫兹激光脉冲发生器无需外加磁场和电场，无需低温制冷，无需为选择单模而在激光光路纵插入选频元件，因此性能稳定。
4、单模输出。本发明提供的一种半导体泵浦的太赫兹(THz)激光脉冲发生器的输出模式由耦合腔半导体激光器决定，本发明使用的耦合腔半导体激光器具有两列激光分别单模工作的特点，这两列激光经过非线性晶体差频之后，产生唯一单模的太赫兹(THz)激光输出。
5、室温工作。本发明提供的一种半导体泵浦的太赫兹(THz)激光脉冲发生器其构成的元器件耦合腔半导体激光器和非线性光学晶体都可以在室温下工作，因此本发明提供的半导体泵浦的太赫兹(THz)激光脉冲发生器在室温工作。
6、寿命长。由于本发明提供的一种半导体泵浦的太赫兹(THz)激光脉冲发生器的寿命取决于耦合腔半导体激光器，通常半导体激光器的寿命在10万小时以上；现有技术提供的太赫兹(THz)激光脉冲装置的寿命外加磁场、外加电场、或高频、高功率脉冲激光源等的寿命决定，其寿命约千小时。
本本发明提供的一种半导体泵浦的太赫兹(THz)激光脉冲发生器结构简单、室温工作、单模输出，而且体积小、性能稳定，可广泛应用于物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、宽带移动通讯、卫星通讯和军用雷达等领域。
图1是本发明的半导体泵浦的太赫兹(THz)激光脉冲发生器的结构和光路图；图2是已有技术的THz激光脉冲发生器的结构图。
具体实施例方式
本发明半导体泵浦的太赫兹激光脉冲发生器，包括泵源1、在光路上依次放置的耦合腔半导体激光器2和非线性激光晶体3，其中，泵源1置于耦合腔半导体激光器2的上方，泵源1两端分别与耦合腔半导体激光器2的正极2a和负极2e电连接，在耦合腔半导体激光器2的激光出口处设有非线性光学晶体3，非线性光学晶体3位于激光光路上。
泵源1是恒流源，或是激光器。
耦合腔半导体激光器2发出的两束单模激光，在时间上同时发生，在空间上处于相同区域。
耦合腔半导体激光器2发出的两束单模激光，波长范围在0.65微米～1.55微米范围内。
耦合腔半导体激光器2产生两束单模激光波长相差的范围是8纳米～50纳米。
非线性光学晶体3包括周期性极化钛氧磷酸钾、周期性极化钽酸锂、周期性极化铌酸锂。
本发明的半导体泵浦的太赫兹激光脉冲发生器，是在室温下工作。
通过泵源1泵浦耦合腔半导体激光器2产生两束激光，由于耦合腔半导体激光器2发光物质与光场的耦合作用，因此输出的两束激光的相位在时间和空间上都是相干的，满足实现共线相位匹配的要求。
通过空间上调节两个耦合腔的距离，进而改变两个激光腔的耦合强弱，使这两束激光的波长相差在一定范围内(8nm～50nm)。调节两个耦合腔的距离的方式有两种对于纵向排列的两个激光腔，在材料外延生长过程中，改变材料生长的厚度，从而改变两个纵向排列的激光腔的间距；对于并行排列的两个激光腔，在工艺制作过程中，改变两个激光腔之间的间隔，进而改变两个耦合腔的距离。
这两束激光在非线性光学晶体3里进行差频，当两束激光的波长以及其波长差满足下述公式时，差频后即可获得波长范围在50μm到500μm之间的太赫兹激光脉冲。
Δλ＝λ1*λ2/(50μm～500μm)其中λ1，λ1分别为两束激光的波长，Δλ＝λ1-λ1为两束激光的波长差。单位均为微米。
实施例1下面按照图1制作一台半导体泵浦的太赫兹(THz)激光脉冲发生器。各部件选用如下泵源1安捷仑电源，型号8114A。
耦合腔半导体激光器2脉冲半导体激光器，中心波长1550nm，脉冲宽度为100ns，频率为16.2千赫兹，平均功率约30μW，所产生的两束激光的波长分别为1550nm和1558nm。
非线性光学晶体3PPLN，尺寸为2×3×0.5mm3，其中3mm方向为通光方向，当泵源1泵浦耦合腔半导体激光器2时，增加泵源1的电流使耦合腔半导体激光器2输出两束激光，平均功率为30微瓦，这两束激光的波长分别为1550nm和1558nm，非线性光学晶体3靠近耦合腔半导体激光器2放置，其中2×2mm2为通光面，其中两束激光在LBO晶体中的光斑直径约为10微米，通过微调LBO晶体，即可输出波长为300微米、频率为1THz的激光脉冲、输出功率约1微瓦。
实施例2下面按照图1制作一台半导体泵浦的太赫兹(THz)激光脉冲发生器，各部件选用如下泵源1型号安捷仑8114A。
耦合腔半导体激光器2脉冲半导体激光器，中心波长980nm，脉冲宽度小于100ns，平均功率约50μW。
非线性光学晶体3选用PPKTP晶体，，尺寸为3×4×0.3mm3，其中3mm方向为通光方向，当泵源1泵浦耦合腔半导体激光器2时，耦合腔半导体激光器2输出两束激光，这两束激光的波长分别为980nm和948nm，非线性光学晶体3靠近耦合腔半导体激光器2放置，其中3×3mm2为通光面，其中两束激光在PPKTP晶体中的光斑直径约为0.02mm，通过微调KTP晶体，即可输出波长为30微米、频率为10THz的激光脉冲。
权利要求
1.一种半导体泵浦的太赫兹激光脉冲发生器，包括泵源(1)、在光路上依次放置的耦合腔半导体激光器(2)和非线性激光晶体(3)，其特征在于通过泵源(1)泵浦耦合腔半导体激光器(2)产生两束在时间和空间上都相干而且波长相差在一定范围的激光，这两束激光在非线性光学晶体(3)里进行非线性频率变换，即可获得太赫兹激光脉冲。
2.根据权利要求1所述的半导体泵浦的太赫兹激光脉冲发生器，其特征是所述的泵源(1)置于耦合腔半导体激光器(2)的上方，泵源(1)两端分别与耦合腔半导体激光器(2)的正极(2a)和负极(2e)电连接，在耦合腔半导体激光器(2)的激光出口处设有非线性光学晶体(3)，非线性光学晶体(3)位于激光(4)的光路上。
3.根据权利要求1所述的半导体泵浦的太赫兹激光脉冲发生器，其特征是所述的泵源(1)是恒流源，或是激光器。
4.根据权利要求1所述的半导体泵浦的太赫兹激光脉冲发生器，其特征是所述的耦合腔半导体激光器(2)发出的两束单模激光，在时间上同时发生，在空间上处于相同区域。
5.根据权利要求1所述的半导体泵浦的太赫兹激光脉冲发生器，其特征是所述的耦合腔半导体激光器(2)发出的两束单模激光具有时间和空间相干性，满足实现共线相位匹配的要求。
6.根据权利要求1所述的半导体泵浦的太赫兹激光脉冲发生器，其特征是所述的耦合腔半导体激光器(2)发出的两束单模激光，波长范围在0.65微米～1.55微米范围内。
7.根据权利要求1所述的半导体泵浦的太赫兹激光脉冲发生器，其特征是所述在非线性光学晶体(3)里的非线性频率变换方式是差频。
8.根据权利要求1所述的半导体泵浦的太赫兹激光脉冲发生器，其特征是所述的耦合腔半导体激光器(2)产生两束单模激光波长相差的范围是8纳米～50纳米。
9.根据权利要求1所述的半导体泵浦的太赫兹激光脉冲发生器，其特征是所述的非线性光学晶体(3)包括周期性极化钛氧磷酸钾、周期性极化钽酸锂、周期性极化铌酸锂。
10.根据权利要求1所述的半导体泵浦的太赫兹激光脉冲发生器，其特征是在室温下工作。
全文摘要
本发明涉及一种半导体泵浦的太赫兹激光脉冲发生器。包括在光路上依次放置泵源、耦合腔半导体激光器和非线性激光晶体，其特征在于通过泵源泵浦耦合腔半导体激光器产生两束相位在时间和空间上都相干且波长相差在一定范围的单模激光，这两束激光在非线性光学晶体里进行差频，即可获得太赫兹激光脉冲。本发明提供的太赫兹激光脉冲发生器采用耦合腔半导体激光器产生的两束单模激光直接进行非线性频率变换，整个系统工作在室温、单模输出、寿命长，克服了原有技术的体积大、结构复杂、光路调节困难、寿命短、低温工作、多模输出等缺点，而且体积小、性能稳定，可广泛应用于物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、宽带移动通讯、卫星通讯和军用雷达等领域。
文档编号H01S3/10GK1815828SQ20051000635
公开日2006年8月9日 申请日期2005年2月2日 优先权日2005年2月2日
发明者郑婉华, 林学春, 陈良惠 申请人:中国科学院半导体研究所